计算机网络学习笔记5

链路层概述

链路层负责在相邻节点之间传输网络层数据报。这里的节点可以是主机、路由器、交换机；链路可以是有线链路、无线链路，也可以是共享型局域网链路。

网络层关心端到端路径上的主机到主机交付，而链路层只关心一跳：把数据报封装成链路层帧，从一个节点的接口传到同一条链路上的另一个节点接口。

常见术语：

节点（node）：主机、路由器、交换机等链路层设备
链路（link）：沿端到端路径连接相邻节点的通信信道
帧（frame）：链路层协议数据单元，封装网络层数据报
适配器（adapter）：网卡或芯片组，实现链路层和物理层功能

链路层的一个关键特点是：同一个 IP 数据报在端到端路径上会被不同链路层协议反复封装、解封装。例如第一跳可能是 WiFi，中间链路可能是光纤以太网，最后一跳可能又是以太网。IP 数据报的源/目的 IP 地址通常端到端保持不变，但每一跳的链路层帧首部都会变化。

链路层服务

链路层可能提供以下服务，但不是所有链路层协议都提供全部服务：

成帧：把网络层数据报封装到帧中，加入帧首部和帧尾部
链路接入：在共享链路上协调多个节点对信道的使用
链路层寻址：用 MAC 地址标识同一链路上的发送和接收接口
可靠交付：在相邻节点之间确认、重传，保证帧可靠到达
流量控制：协调相邻发送方和接收方速率
差错检测：检测由噪声、衰减、干扰引起的比特差错
差错纠正：接收方直接定位并纠正部分比特差错
半双工/全双工：半双工链路可双向传输但同一时刻只能一个方向，全双工可同时双向传输

链路层可靠交付常用于高误码率链路，如无线链路；在光纤、双绞线等低误码率链路上，通常不在每一跳都做复杂的可靠传输，而把可靠性留给端到端传输层协议。

链路层和传输层都可能做可靠性，但目标不同。链路层可靠性是局部恢复，避免无线等高误码链路把大量错误“漏”到上层；传输层可靠性是端到端语义，最终仍要由通信端确认整个数据流是否正确到达。两者不是简单重复，而是在不同范围内降低代价。

链路层在哪里实现

链路层主要在网络适配器中实现，也就是网卡（NIC）或集成在主板/芯片组里的网络控制器。

发送端流程：

网络层把 IP 数据报交给适配器
适配器封装链路层帧
适配器执行差错检测编码、链路接入、物理层发送

接收端流程：

适配器从物理层接收信号并恢复比特
检查帧首部、MAC 地址、CRC
如果帧有效且应该接收，则去掉链路层首尾部
把 IP 数据报交给网络层

链路层实现通常是硬件、软件和固件的组合。高速发送、接收、CRC 检查、DMA 等功能偏硬件；驱动、配置、统计、部分控制逻辑偏软件。

差错检测和纠正

链路层传输的比特可能因信号衰减、噪声、干扰而出错。差错检测机制在数据 \(D\) 后面附加差错检测和纠正位 EDC，接收端用收到的 \(D'\) 和 EDC’ 判断是否发生差错。

差错检测不能做到绝对可靠：协议只能降低未检测出差错的概率。更强的检测码需要更多冗余位，也会带来额外开销。

奇偶校验

最简单的差错检测是单比特奇偶校验。

偶校验：附加 1 位，使整个比特串中 1 的个数为偶数。

奇校验：附加 1 位，使整个比特串中 1 的个数为奇数。

单比特奇偶校验可以检测任意奇数个比特错误，但无法检测偶数个比特错误。二维奇偶校验把数据排成矩阵，对每行、每列分别做奇偶校验，可以检测并纠正某些单比特错误。

Internet 校验和

Internet 校验和把数据按 16 比特整数分组求和，溢出回卷，最后取反码。接收方对收到的数据和校验和重新求和，如果结果全为 1，则认为没有检测到差错。

UDP、TCP、IP 首部都使用过类似校验和思想。它实现简单、软件计算方便，但检错能力不如 CRC，因此链路层更常使用 CRC。

循环冗余校验 CRC

CRC（Cyclic Redundancy Check）把待发送比特串 \(D\) 看作二进制多项式，发送方和接收方约定一个生成多项式 \(G\)。如果 \(G\) 有 \(r+1\) 位，则 CRC 附加 \(r\) 位冗余比特 \(R\)，使得扩展比特串 \(\langle D,R\rangle\) 能被 \(G\) 整除。

发送方目标：

\[ D \cdot 2^r \oplus R \]

能够被 \(G\) 整除。接收方用收到的比特串除以 \(G\)，如果余数非 0，则检测到差错。

CRC 的优点：

能检测所有单比特错误
能检测许多多比特错误
能检测所有长度小于等于 \(r\) 的突发错误
硬件实现高效，因此广泛用于以太网、802.11、ATM 等链路层协议

多路访问链路和协议

链路可以分为两类：

点对点链路：链路两端只有两个节点，例如主机和交换机之间的以太网链路、路由器之间的点对点链路
广播链路：多个节点共享同一个信道，例如传统总线以太网、HFC 上行链路、802.11 无线局域网

在广播链路上，如果两个或更多节点同时发送，就会发生碰撞（collision）。多路访问协议，也称 MAC 协议（Medium Access Control），要解决的问题是：多个节点如何协调使用共享信道。

理想的多路访问协议应满足：

当只有一个节点发送时，该节点能以信道速率 \(R\) 发送
当 \(M\) 个节点都有数据发送时，每个节点平均得到 \(R/M\) 的吞吐
协议完全分布式，不依赖中心控制节点
实现简单

实际协议通常在效率、公平性、复杂度和负载适应性之间折中。

MAC 协议分类

三类典型 MAC 协议：

信道划分协议：把信道按时间、频率、编码切分，分配给节点专用，如 TDMA、FDMA、CDMA
随机访问协议：不预先划分信道，允许碰撞，碰撞后恢复，如 ALOHA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA
轮流协议：节点按某种顺序轮流发送，如轮询、令牌传递

信道划分在高负载时公平、稳定，但低负载时浪费资源；随机访问低负载时效率高，但高负载时碰撞严重；轮流协议试图结合两者优点，但需要额外协调机制。

TDMA 和 FDMA

TDMA（Time Division Multiple Access）：时间被划分为周期，每个周期再划分为多个时隙。每个节点在固定时隙中发送。如果节点没有数据，该时隙空闲。

FDMA（Frequency Division Multiple Access）：信道频率范围被划分为多个频段，每个节点分配固定频段。如果节点没有数据，该频段空闲。

二者的问题相似：即使只有少数节点有数据，也只能使用分配给自己的时间或频率片，空闲片段被浪费。

ALOHA

纯 ALOHA：节点有帧就立即发送。如果发生碰撞，等待随机时间后重传。它不需要时隙同步，但碰撞窗口较大。纯 ALOHA 最大效率约为：

\[ \frac{1}{2e} \approx 0.175 \]

时隙 ALOHA：把时间划分为等长时隙，节点只能在时隙开始时发送。碰撞只会发生在同一时隙内，最大效率约为：

\[ \frac{1}{e} \approx 0.37 \]

时隙 ALOHA 比纯 ALOHA 更高效，但要求所有节点时钟同步。

CSMA

CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波侦听多路访问）：发送前先侦听信道。

如果信道空闲，发送整个帧
如果信道忙，推迟发送

CSMA 能减少碰撞，但不能完全避免碰撞。原因是传播时延：一个节点发送后，信号需要时间传播到其他节点；其他节点在信号到达前可能误以为信道空闲并开始发送。

课堂补充：CSMA 的“听一听再说话”只基于本地观察。距离越远、传播时延越大，节点越可能侦听不到远处正在进行的发送，碰撞概率也越高。

CSMA/CD

CSMA/CD（Collision Detection）在 CSMA 基础上加入碰撞检测。发送端边发送边监听，如果检测到碰撞，立即终止发送，避免继续浪费信道。

以太网 CSMA/CD 基本流程：

适配器从网络层获得数据报，创建以太网帧
发送前侦听信道
如果信道空闲，开始发送；如果忙，等待到空闲
发送过程中检测碰撞
如果没有碰撞，发送成功
如果检测到碰撞，停止发送并发送 jam 信号
进入二进制指数退避，随机等待后重传

二进制指数退避：第 \(m\) 次碰撞后，从 \(\{0,1,\dots,2^m-1\}\) 中随机选择 \(K\)，等待 \(K \times 512\) bit time 后重试。实际以太网会限制 \(m\) 的最大值，例如第 10 次以后窗口不再继续指数扩大。

课堂补充：退避范围随着碰撞次数增大而增大，目的是适应负载。低负载时窗口小，减少等待；高负载时窗口大，降低再次碰撞概率。

CSMA/CD 在有线局域网中容易实现，因为发送端可以检测总线或电缆上的信号强度是否与自身发送信号一致。但在无线网络中很难做碰撞检测：无线发送信号远强于接收信号，发送时难以同时听到远处的弱信号，因此 802.11 使用 CSMA/CA。

轮流协议

轮流协议典型形式：

轮询：主节点依次邀请从节点发送
令牌传递：一个特殊控制帧（令牌）在节点之间传递，持有令牌的节点可以发送

轮询的缺点是主节点故障会影响全局，并且轮询开销存在；令牌传递的缺点是令牌丢失、令牌维护和节点故障处理复杂。

MAC 地址和 ARP

链路层使用 MAC 地址在一个局域网内部标识接口。IP 地址用于跨网络的层次化路由，MAC 地址用于同一链路上相邻接口之间的帧交付。

MAC 地址

MAC 地址通常为 48 bit，常写成 6 个十六进制字节：

1	1A-2F-BB-76-09-AD

MAC 地址由 IEEE 管理地址空间，厂商购买一段地址空间后写入网卡 ROM。不过现代系统中 MAC 地址也可以通过软件修改或随机化，因此不能把 MAC 地址简单理解为绝对不可变的硬件身份。

IP 地址和 MAC 地址的区别：

地址	层次	作用范围	分配逻辑
IP 地址	网络层	跨网络路由	层次化、依赖网络位置
MAC 地址	链路层	本地链路内帧交付	平面地址、通常与接口绑定

为什么不能只用 IP 地址？

链路层要支持不同网络层协议，不只 IP
网卡出厂时不知道会连接到哪个 IP 网络
IP 地址需要随网络位置变化，MAC 地址可用于本地接口识别
如果链路层不做地址过滤，每个帧都要上交网络层判断，开销更大

课堂补充：MAC 地址是“本地使用”的地址。它的任务不是把分组送到远方网络，而是在当前物理网络里把帧送到某个接口。

ARP

ARP（Address Resolution Protocol）解决的问题是：

已知同一子网中某接口的 IP 地址，如何得到它的 MAC 地址？

每个主机和路由器接口维护一张 ARP 表，表项一般包括：

IP 地址	MAC 地址	TTL
137.196.7.14	58-23-D7-FA-20-B0	20 min

TTL 表示映射缓存的有效时间。课堂中提到常见 ARP 表项有效期约 20 分钟，实际系统会因实现不同而变化。

ARP 查询过程：

主机 A 要向同一子网的 B 发送 IP 数据报
A 检查本地 ARP 表，如果没有 B 的 MAC 地址，则发送 ARP 查询
ARP 查询被封装在以太网广播帧中，目的 MAC 地址为 FF-FF-FF-FF-FF-FF
局域网内所有节点收到该广播帧
IP 地址匹配的 B 返回 ARP 响应，告诉 A 自己的 MAC 地址
A 把映射写入 ARP 表，并发送后续数据帧

ARP 是即插即用的：管理员不需要手动配置每个 IP-MAC 映射，主机会自动广播查询并缓存结果。

跨子网发送时的寻址

如果 A 要向另一个子网中的 B 发送数据报，链路层目的 MAC 地址不是 B 的 MAC 地址，而是第一跳路由器接口的 MAC 地址。

跨子网发送流程：

A 通过路由表判断 B 不在本地子网
A 确定下一跳是默认网关 R
A 用 ARP 获取 R 在本地子网接口的 MAC 地址
A 构造 IP 数据报：源 IP 为 A，目的 IP 为 B
A 构造以太网帧：源 MAC 为 A，目的 MAC 为 R
R 收到帧后取出 IP 数据报，查找下一跳
R 在下一条链路上重新封装帧，新的源/目的 MAC 地址变为该链路两端接口地址

关键点：IP 数据报的目的 IP 始终是最终主机 B；每一跳链路层帧的目的 MAC 只是下一跳接口。

以太网

以太网是最成功、最广泛使用的局域网技术。它便宜、简单、部署容易，速率从早期 10 Mbps、100 Mbps 发展到 1 Gbps、10 Gbps、40 Gbps、100 Gbps 甚至更高。

以太网拓扑

早期以太网常用总线拓扑，所有节点共享同一碰撞域，一次只允许一个节点发送。总线介质破损、反射、碰撞都会影响整个网络。

现代以太网主要采用交换式星型拓扑：

主机通过点对点链路连接到交换机
每个交换机端口通常是独立碰撞域
全双工链路上不再需要 CSMA/CD
多对主机可以同时通信

集线器（hub）是物理层设备，从一个端口收到比特后复制到所有其他端口。所有连接到 hub 的主机仍处于同一碰撞域。交换机则是链路层设备，会根据 MAC 地址选择性转发帧。

以太网帧结构

典型以太网帧字段：

字段	长度	作用
前同步码	8 字节	接收方时钟同步
目的 MAC 地址	6 字节	帧接收接口
源 MAC 地址	6 字节	帧发送接口
类型	2 字节	指示上层协议，如 IP、ARP
数据	46~1500 字节	载荷
CRC	4 字节	差错检测

前同步码前 7 字节通常为 10101010，最后 1 字节为 10101011，帮助接收方同步并识别帧开始。

类型字段用于多路分解：接收端根据类型字段把载荷交给 IP、ARP 或其他上层协议。

以太网服务特点

以太网向网络层提供无连接、不可靠服务：

无连接：发送帧前，发送 NIC 和接收 NIC 不握手
不可靠：接收 NIC 不向发送 NIC 返回 ACK/NAK
差错处理：如果 CRC 检测失败，接收方直接丢弃帧

如果上层使用 TCP，丢失的数据最终由端到端可靠传输补上；如果上层使用 UDP 且应用不做恢复，则应用可能看到丢失。

802.3 以太网标准

以太网有许多物理层标准，但 MAC 协议和帧格式基本一致。

常见命名：

10BASE-T：10 Mbps，双绞线
100BASE-T：100 Mbps，快速以太网，双绞线
1000BASE-T：1 Gbps，双绞线
10GBASE-*：10 Gbps，以光纤或铜缆为媒介

课堂补充：现代交换式以太网中，“共享总线上的碰撞”已经不再是日常核心问题。交换机让每个端口成为独立链路，全双工链路上没有传统意义上的碰撞，CSMA/CD 的作用被弱化。

以太网交换机

交换机是链路层存储转发设备。它检查到达帧的 MAC 地址，根据交换表选择性转发到一个或多个输出端口。

交换机的特点：

透明：主机通常不需要知道交换机存在
即插即用：无需手动配置主机到端口的映射
自学习：通过观察帧的源 MAC 地址自动建立交换表
多路同时传输：不同输入输出端口对可以并行通信
隔离碰撞域：每个端口通常构成独立碰撞域

交换表

交换表项通常包含：

MAC 地址	接口	时间戳/TTL
AA-AA-AA-AA-AA-AA	1	…
BB-BB-BB-BB-BB-BB	5	…

交换机自学习规则：

收到一帧
读取源 MAC 地址
记录“源 MAC 地址可以通过入端口到达”
刷新该表项时间戳

帧过滤和转发

交换机收到帧后，用目的 MAC 地址查交换表：

如果目的 MAC 对应端口与入端口相同，说明目的主机就在入端口所在网段，过滤该帧，不转发
如果目的 MAC 对应端口与入端口不同，转发到对应端口
如果目的 MAC 未知，向除入端口外的所有端口泛洪
如果目的 MAC 是广播地址，向除入端口外的所有端口广播

交换机可以级联，自学习机制仍然适用。只要帧经过某条路径，沿途交换机就能从源 MAC 学到反向可达端口。

交换机 vs 路由器

设备	层次	转发依据	表项生成	广播控制	配置
交换机	链路层	MAC 地址	自学习、泛洪	默认转发广播，需要生成树/VLAN 控制	即插即用
路由器	网络层	IP 地址前缀	路由协议/静态配置	不转发二层广播	需要配置子网和路由

交换机速度高、部署简单，但大规模二层网络会带来广播风暴、环路、ARP 表规模、安全隔离等问题。路由器有层次化地址和路由算法，更适合大范围互联。

VLAN

VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）把一个物理 LAN 划分成多个逻辑 LAN。处于不同 VLAN 的主机即使连接在同一台交换机上，也像连接在不同交换机上一样，二层广播不会互相传播。

VLAN 动机

没有 VLAN 时，大型局域网会遇到问题：

所有 ARP、DHCP、未知 MAC 泛洪都穿过整个 LAN
广播域过大，影响性能和故障隔离
部门之间缺少二层隔离，存在安全和隐私问题
用户物理位置改变时，逻辑归属难以维持

VLAN 的典型需求是“物理位置变了，但逻辑上仍属于原部门”。例如 CS 系学生搬到 EE 楼办公，仍希望处于 CS 的二层网络中。

基于端口的 VLAN

基于端口的 VLAN 把交换机端口划分为不同组：

端口 1~8 属于 EE VLAN
端口 9~16 属于 CS VLAN

同一 VLAN 内的帧只在该 VLAN 的端口之间转发。不同 VLAN 之间通信需要通过路由器或三层交换机，相当于跨子网通信。

VLAN 成员也可以基于 MAC 地址、协议类型、认证结果等动态决定，但基于端口的 VLAN 最直观。

跨交换机 VLAN 和 802.1Q

多个交换机共享 VLAN 时，不能为每个 VLAN 单独拉一条交换机间链路，否则扩展性差。更常见做法是使用 trunk port。

trunk 端口承载多个 VLAN 的帧。为了让接收交换机知道帧属于哪个 VLAN，IEEE 802.1Q 在以太网帧中插入 VLAN 标签字段。

802.1Q 标签包含：

VLAN ID：12 bit，可标识最多 4096 个 VLAN
优先级字段：用于 QoS
类型信息：标识这是带 VLAN 标签的帧

交换机在 trunk 端口发送帧时添加 VLAN 标签，在接入普通主机的 access 端口发送帧时通常去掉标签。

MPLS

MPLS（Multiprotocol Label Switching，多协议标签交换）把一组支持 MPLS 的路由器网络，从 IP 网络角度抽象成一种“虚拟链路”。它在链路层帧和网络层 IP 首部之间插入一个 MPLS shim header，用固定长度标签辅助转发。

MPLS 初始动机：

用固定长度标签查表，避免每跳都做最长前缀匹配
借鉴虚电路思想，在数据报网络中建立标签交换路径
支持流量工程、VPN、快速重路由、QoS 等

MPLS 首部典型字段：

Label：标签值
Exp/TC：实验或流量类别字段
S：标签栈底标志
TTL：防止循环

标签交换过程

MPLS 网络中常见角色：

入口 LER：进入 MPLS 域的边缘路由器，根据分组所属转发等价类 FEC 压入标签
LSR：标签交换路由器，根据入标签查表，交换成新标签并转发
出口 LER：离开 MPLS 域时弹出标签，把 IP 分组交回普通 IP 转发

转发表不只写“目的地址前缀 -> 输出接口”，还可能写：

入接口	入标签	出接口	出标签
3	40	1	50

课堂补充：MPLS 常见于运营商网络。它的关键是“看标签”转发，而不是每跳只看目的 IP 最长前缀；这让运营商可以更容易做显式路径、流量工程和快速保护。

MPLS vs IP 路由

纯 IP 路由通常主要由目的地址决定路径。MPLS 可以让到达同一目的地的流量根据源地址、服务类别、策略或工程目标走不同路径。

这使 MPLS 能支持：

避开拥塞链路
为特定业务预留资源
在链路故障时快速切到预计算备份路径
构建 VPN 隔离不同客户流量

数据中心网络

数据中心网络连接数万到数十万台主机，支撑搜索、云计算、视频、电子商务、AI 训练等服务。它的特点是规模大、距离近、流量集中、东西向流量多、对带宽和故障恢复要求高。

基本结构

典型数据中心结构：

服务器放在机架中
每个机架顶部有 ToR（Top of Rack）交换机
ToR 连接到聚合层或叶脊网络
上层连接边界路由器和外部网络

数据中心通过冗余链路和多路径结构提升吞吐和可靠性，避免单点故障。

课堂补充：现代数据中心常把机架作为基本管理单元。机架顶部交换机连接本机架服务器，再向上连接多台交换机；冗余路径不仅提高容量，也用于故障绕行。

负载均衡和应用层路由

数据中心常使用负载均衡器：

对外暴露一个服务地址
接收客户端请求
选择内部某台服务器处理请求
对客户端隐藏内部服务器结构

这是一种应用层路由：不是只按 IP 最短路径转发，而是结合服务状态、服务器负载、会话保持、缓存位置等因素选择目标。

多路径与协议创新

数据中心网络强调多路径：

多条等价路径增加横向吞吐
故障时快速切换
负载均衡避免热点链路

也催生了专门协议和技术，例如：

ECMP：在等价路径之间分流
RDMA：远程直接内存访问，绕过传统内核协议栈减少 CPU 和延迟开销
RoCE：RDMA over Converged Ethernet，在以太网上承载 RDMA

课堂补充：AI 集群、分布式存储和高性能计算场景常关注 RDMA、IB、RoCE。核心思想是让一台机器把数据直接写入另一台机器的内存区域，减少传统协议栈拷贝和 CPU 开销。

一个 Web 请求的一天

从链路层角度看，一个看似简单的网页请求会串起多个协议。

假设一台笔记本接入校园网并访问 www.example.com：

主机通过以太网或 WiFi 接入局域网
主机发送 DHCP Discover，通常封装在 UDP、IP、以太网广播帧中
DHCP 服务器返回 IP 地址、子网掩码、默认网关、DNS 服务器等配置
主机要查询域名，先构造 DNS 查询
DNS 查询要发往默认网关，因此主机用 ARP 获取第一跳路由器 MAC 地址
主机把 DNS 查询封装为 UDP 段、IP 数据报、链路层帧，目的 MAC 为默认网关
获得 Web 服务器 IP 后，主机发起 TCP 三次握手
TCP 连接建立后发送 HTTP 请求
服务器响应返回，经过网络层路由和每一跳链路层重新封装，最终到达主机

DHCP 不只是“分配 IP”。DNS 服务器地址、第一跳路由器地址等配置也常由 DHCP 下发。没有默认网关，主机即使有 IP 地址，也只能方便地在本地网络内通信。

小结

链路层核心知识：

链路层负责相邻节点间的一跳传输，数据单元是帧
链路层服务包括成帧、链路接入、MAC 寻址、差错检测/纠正、可能的可靠交付
CRC 是链路层常用强差错检测码
MAC 协议分为信道划分、随机访问、轮流三类
ALOHA 简单但效率低；CSMA 发送前侦听；CSMA/CD 用于传统有线以太网
MAC 地址用于本地链路内接口识别，IP 地址用于跨网络路由
ARP 把同一子网中的 IP 地址解析为 MAC 地址
跨子网发送时，帧目的 MAC 是下一跳路由器，IP 目的地址仍是最终主机
以太网提供无连接、不可靠服务，现代以太网主要是交换式星型结构
交换机透明、即插即用、自学习，根据 MAC 表过滤和转发帧
VLAN 用逻辑方式划分广播域，802.1Q 在 trunk 链路上传递 VLAN ID
MPLS 用标签辅助转发，支持流量工程、VPN 和快速重路由
数据中心网络强调多路径、负载均衡、冗余和低延迟协议创新

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